光伏发电站关口点功率因数考核及解决方案

钟泰军，李 慧，张云龙

（湖北省电力勘测设计院有限公司，湖北 武汉 430040）

0 引 言

对某光伏发电站厂用电功率因数不满足考核要求的问题进行深度分析，立足工程实际应用，结合实际运行数据，找到问题存在的原因，并提出了相应的解决方案。

1 考核标准及考核事件

某光伏发电站在运行4个月后首次对下网电量进行结算，发现系统侧关口计量表正向无功电量达到3 957.36 MVar·h，远大于正向有功电量 87.12 MW·h，功率因数仅为0.02[1-2]。光伏发电站侧关口计量表反向无功电量（369.6 MVar·h）。

根据当地电网公司考核方式，对光伏电站用电（下网电量，视同工业用电用户）功率因数进行考核，即仅对夜间功率因素进行考核。关口考核表安装在电网公司的电力系统侧，夜间电能由系统流向光伏电站，整个光伏电站作为电力系统的用户，要求功率因数不应小于0.9[3-4]。考核发现功率因数为0.02，远小于电力公司的要求。因此，电力公司根据关口有功电量数据，对发电企业进行了重点考核，并对其进行了罚款处理。

2 原因分析

2.1 光伏电站SVG排查

该站SVG虽可正常运行，但是由于电站自身原因，存在长期未投入运行的情况。此外，在光伏电站侧关口计量表的反向无功电量仅369.6 MVar·h，对总值达3 957.36 MVar·h的系统侧无功电量无太大影响。因此，若光伏电站侧关口计量表数据正确无误，则SVG是否投入运行和光伏电站消耗的无功电量，均对系统侧关口点无功电量3 957.36 MVar·h数据不构成决定性影响。

2.2 二次线接线排查

分别排查光伏电站和系统侧变电站二次线接线情况，均正确无误，因此电能计量表数据不会记录错误。

2.3 PT及CT排查

分别排查了光伏电站、系统侧变电站PT、CT的出厂实验报告和现场交接试验报告，未出现参数偏差。同时，PT和CT保护、测量、计量各绕组二次侧数值基本一致，可以排除除计量绕组存在故障的可能，也排除了变比不一致的可能。

2.4 关口计量表原理及计量数据

2.4.1 关口表计量原理

该工程关口电能计量表和考核表均在电力公司购买，厂家为江苏林洋电子有限公司。DTZ71型三相四线智能电能计量表有电力公司的检测报告，主副表记录的电量数据一致。该表按四个象限记录功率[5-6]，见图1。

该电能计量表分别根据上述象限对应原则计量，正反无功可以自由组合设置，最终应设置组合I总（正向有功）和组合II总（反向有功）。

图1 计量表的功率象限

该工程两侧表计设置情况如下[6]：电能计量表中组合I总（正向P）为I象限（输入P，输入Q）+IV象限（输入P，输出Q），电能计量表中组合II总（反向P）为II象限（输出P，输入Q）+III象限（输出P，输出Q）。

以系统侧变电站关口表为例，当光伏站在发电时（为系统输送P），系统侧有功功率由光伏电站流向系统，功率呈现负值，电能计量表显示反向，将累计的有功电能记录为反向P，累计无功电量为组合II总；当夜晚光伏电站不发电时，将吸收系统有功功率，系统侧有功功率由线路流入光伏电站，系统侧计量表功率呈现正值，将累计的有功电量记录为正向P，累计的无功电量为组合I总。而电力公司仅对光伏电站用电（下网电量，视同工业用电用户）功率因数进行考核，即仅对由系统侧流向发电站的正向功率因素进行考核。

2.4.2 数据分析

图2为光伏电站和系统侧简要接线图，现场记录关口计量表显示的数据如表1、表2所示。

（1）运行数据分析

结合图2、表1和表2，夜间或其他阴雨天气造成电力系统向光伏电站提供电能，潮流流向如图3所示。系统侧关口计量表设置有功功率为正方向，关口计量表显示有功电量为正向数据。根据电力公司要求的计量原理，无功电量也显示为正向值，无功电量是I象限和IV象限绝对值的和。

图2 光伏电站与系统侧简要接线

表1 P电量统计表

表2 Q电量统计表

图3 夜间电力系统与光伏电站的潮流

系统侧关口计量表累计的有功电量和无功电量分别为：

光伏电站吸收有功功率时，有功功率为反向，电能计量表显示反向数据。光伏电站累计的有功电量和无功电量分别为：

可以看出，系统侧正向有功电量（下网电量）为81.4 MW·h，正向无功电量为 3 957.36 MVar·h，下网功率因数仅为0.02，远低于电力公司的考核指标。

当光照充足时，光伏电站向系统输送电能。光伏电站的关口计量表为正向数据，系统侧关口计量表为反向数据。系统侧关口计量表累计的有功电量和无功电量分别为：

光伏电站累计的有功电量和无功电量分别为：

可以看出，当光照充足时，光伏电站作为电源向系统输送电能1 877.04 MW·h，作为无功电源发送无功3 078.24 MVar·h（容性）。光伏电站作为电源时，不计入电力公司考核范围。

（2）无功功率分析

假设线路充电功率为Sc，线路损耗吸收的感性无功△Q。

①夜间潮流分析

结合图2、表1和表2可知，光伏发电充足时，有功功率从光伏电站流向系统，夜间有功功率从系统流向光伏电站。无功功率始终从光伏电站流向系统，相当于一个无功电源。

电力系统潮流如图3所示，系统侧潮流Ss与系统侧关口计量表设置的有功参考方向一致。潮流Sr与光伏电站侧关口计量表的参考方向相反[7-8]。

因此，电能表在IV象限时，有：

电能表在II象限时：

根据潮流流向得出：

其中Qc为线路充电功率的数值。

根据式（11）、式（12）可推导出：

由式（13），有：

②白天潮流分析

电力系统潮流如图4所示，系统侧潮流Ss与系统侧关口计量表设置的有功参考方向相反，潮流Sr与光伏电站侧关口计量表的参考方向同[7-8]。

图4 白天电力系统与光伏电站的潮流

因此，电能表在I象限时：

电能表在III象限时：

根据潮流流向式（15）、式（16）可以推导出：

对11月15日下午14时永阳变及风光一体实时功率进行收集，结果如表3所示。

从表3可以看出，白天发电时，永阳变有功率功率为反向6.4 MW，此时线路还向系统输送了1.9 MVar的容性无功。另外，对夜间实时功率收集了5个时间点的数据，如表4所示。

从表4可以看出，在夜间不发电时，不投SVG时光伏发电站和线路共向系统输送了2.2 MVar左右的容性无功。光伏电站在夜间作为用电负荷轻载运行，产生容性无功0～0.201 MVar。此外，光伏发电站及系统侧变电站夜间实时功率统计，如表5所示。

从表5可以看出，当站内投入SVG后，光伏发电站无功为0，功率因数可达到1，但线路仍持续向系统发出1.9 MVar无功功率，造成无功过剩。实际测量的充电功率1.9 MVar与3.1节计算的充电功率相近，验

根据式（17），有：

其中ΔQ=I×I×X，白天传输功率大，在线路上产生的感性无功ΔQ抵消了一部分充电功率；夜间线路上传输的功率很小，线路上的感性无功ΔQ很小，以充电功率为主，相当于给系统提供了一个很大的无功电源。

2.5 结 论

2.5.1 送出线的充电功率未补偿

经调研发现，光伏电站是按照光伏发电站无功平衡的原则来配置无功补偿设备。白天光伏场区作为电源向周围负荷和系统供电，功率因素为cosQ=0.991，满足光伏场区作为电源的功率因素指标。但是，对于电力系统而言，光伏场区是作为用户负载考核其功率因素。光伏发电站的无功补偿方式遗漏了送出线路的充电功率，是造成考核不达标的主要原因。按照电网公司“分层分区，就地平衡”的原则，需要补偿输电线路的充电功率。

2.5.2 计量方式造成累计无功电量偏大

系统侧关口计量表累计的正向无功电量太大，原因是电能计量表的设置存在问题。在电能计量表的四个象限中，无功功率的方向以有功功率的方向为基准，I象限和IV象限均为输入有功，无功功率分别为输入无功（感性）和输出无功（容性）。以有功功率的方向为基准，造成无功功率是感性和容性的绝对值的累计，使得关口计量表累计的无功电量偏大，计算的功率因素偏小。

3 实例分析与验证

3.1 送出线无功功率计算

光伏发电站至系统侧变电站输电线路为架空线路加电缆的方式，其中JL/GIA-240导线为8.4 km，JL/GIA-300导线为9.6 km，YJLW03-64/110-1×800电缆为1.8 km。240和300导线充电功率为0.034 Mvar/km，1×800电缆为0.8 MVar/km，电压等级为110 kV。架空线计算结果0.034×18=0.612 MVar，电缆计算结果0.8×1.8=1.44 MVar，总充电功率合计Q=0.612+1.44=2.05 MVar。

夜间以充电功率为主，按照平均12 h计算，需补偿的线路充电功率近似为：

与2.4.2节推算的线路充电功率接近，验证了上述结论：送出线路的充电功率未补偿，是造成考核不达标的主要原因。

3.2 现场无功功率测量数据分析

证了测量数据的正确性和分析的合理性。

因此，当系统侧变电站关口电能计量表为正向有功能时，至少有1.9 MVar的无功功率持续被累计，故在短短4个月时间出现了3 957.36 MVar·h的无功电量。

表3 实时功率统计表（SVG未投入）

表4 光伏发电站及系统侧变电站夜间实时功率统计表（SVG未投入）

表5 光伏发电站及系统侧变电站夜间实时功率统计表（投入SVG后）

4 解决方案及建议

由以上分析可以看出，光伏发电站考核的根本原因在于关口计量表功率设置方式和输电线路向系统输送较高的无功功率，造成系统侧关口计量表功率因素不达标。关口计量表的设置方式是电力公司按规定设置不能改变，只能从补偿无功功率方面入手。通过补偿光伏电站到电力系统输电线路的充电功率，可以提高功率因素。具体地，对SVG采用两级控制方式：第一级，根据光伏电站到系统关口表的输电线路的充电功率，整定SVG的基准补偿值，Q=2.0 MVar；第二级，基于光伏电站运行状态动态调节，Q=0～0.6 MVar分为三档，可动态调节。整改后，运行数据功率因素在0.9以上，满足电力公司考核标准。

但是，该解决方式的缺陷是夜间SVG一定要投入运行，用于抵消不发电时架空和电缆线路产生的无功功率，一旦SVG故障退出运行，站内和送出线路的充电功率越大，被考核的风险就越大。另外，手动设置的无功功率值精度较低，偏差较大。要解决误差和提高SVG运行的经济性，需在系统侧站安装一台采样装置，并将信号传输至本侧SVG，从而将线路纳入光伏电站进行无功补偿。